雷達(dá)通信一體化資源復(fù)用、波形共享和微波光子研究進(jìn)展

李 軒 周逸瀟 趙尚弘 王國棟

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西西安 710077）

1 引言

雷達(dá)是利用電磁波空間傳播和反射探測目標(biāo)的電子設(shè)備，廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報、警戒監(jiān)視、地形測繪以及生物醫(yī)學(xué)等各個方面。常用雷達(dá)工作頻段包括L 波段（1～2 GHz）、S 波段（2～4 GHz）、C 波段（4～8 GHz）、X 波段（8～12 GHz）等。雷達(dá)工作占用帶寬很寬，可達(dá)到GHz 量級。無線通信通常指無線射頻通信，通過電磁波空間傳播來傳遞信息，是移動、衛(wèi)星、機(jī)載、艦載等平臺進(jìn)行通信的基本方式。無線通信所使用頻段范圍很廣，從短波電臺的3～30 MHz至衛(wèi)星通信的Ka波段（26.5～40 GHz），但所占用帶寬相對較窄，通常小于百M(fèi)Hz。

無論雷達(dá)還是無線通信，均需要一定的資源完成對應(yīng)功能，這些資源包括：

1）硬件資源：射頻本振、變頻、功放、天線等硬件設(shè)備或器件，進(jìn)行信號的產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理等。硬件資源的發(fā)展趨勢之一是小型化、集成化。

2）頻譜資源：電磁波具有一定的頻率，雷達(dá)信號和通信信號以此頻率為中心占用一定的帶寬。雷達(dá)和通信都在向更高頻段更寬帶寬不斷演進(jìn)，但高低頻共存共用的局面也將長期存在。

3）時間資源：電磁波的發(fā)射、傳播、接收和處理需要一定的時間。在一些應(yīng)用場景中，需要在不同時間段實(shí)施不同功能以避免相互干擾。理想的時間資源利用方式是系統(tǒng)可以隨時開機(jī)、即時可用而不受其他因素影響。另一方面，需要系統(tǒng)具有低時延處理能力，節(jié)約時間資源。

4）空間資源：指電磁波波束占用的方向和空間。根據(jù)天線特性，電磁波可以全向輻射，也可以形成波束朝特定方向進(jìn)行傳播。整體上，電磁波輻射在向更窄波束更好指向性不斷發(fā)展，以更好的靈活利用空間資源。

5）能量資源：電磁波在空間傳播產(chǎn)生損耗，為保證接收性能，需要一定的發(fā)射功率。提高能量利用率的一個有效方法是采用波束成形技術(shù)，將發(fā)射能量集中在更窄范圍內(nèi)，可以在相同工作距離時節(jié)省發(fā)射功率。

6）極化資源：電磁波傳播過程中，電場矢量端點(diǎn)隨時間呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律，稱為電磁波的極化。電磁波收發(fā)必須考慮天線和電磁波的極化匹配，以減少損耗。另一方面，可以采用極化態(tài)相互正交的兩路電磁波來同時執(zhí)行不同功能而不相互干擾。

綜合來講，雷達(dá)和無線通信表現(xiàn)出高度的相似性。二者的物理本質(zhì)基本相同，都是電磁波的發(fā)射和接收，其理論基礎(chǔ)雷達(dá)方程和通信方程均由電磁波自由空間傳播損耗決定［1］；二者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分重疊，都具有本振、變頻器、功放、天線等器件，在毫米波頻段，現(xiàn)有雷達(dá)和通信系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、信道特征以及信號處理方法已經(jīng)十分接近［2］；同時，二者工作頻段趨于融合，隨著5G 時代的到來，通信對頻譜資源的需求日益迫切，推動通信和雷達(dá)進(jìn)行頻譜共享［3］。目前，在民用領(lǐng)域，以智慧城市、智慧家庭等物聯(lián)網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等智能交通為代表的5G/B5G 新興應(yīng)用，需要對感知與通信進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計，高效利用各種資源［4-6］。例如，IEEE 通信協(xié)會倡議的新興技術(shù)——綜合傳感和通信，已被確定為B5G/6G 和下一代Wi-Fi 系統(tǒng)的支撐技術(shù)，其功能是將雷達(dá)傳感和通信系統(tǒng)結(jié)合起來，甚至追求互惠互利的設(shè)計范式。另一方面，在軍用領(lǐng)域，戰(zhàn)爭已由單一平臺對抗轉(zhuǎn)化為多功能體系對抗，需要對雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)等進(jìn)行功能融合，提升系統(tǒng)作戰(zhàn)效能［7-9］。例如美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室開展的先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)、美國國防部高級研究計劃局開展的共享頻譜接入等研究，為其艦載、機(jī)載平臺作戰(zhàn)裝備的集成設(shè)計以及基地各射頻系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行探索有效的技術(shù)手段。

2 雷達(dá)通信一體化技術(shù)內(nèi)涵和發(fā)展階段

雷達(dá)通信一體化（Joint radar and communication，JRC）是射頻綜合系統(tǒng)設(shè)計層面的變化，體現(xiàn)在系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新。這些創(chuàng)新，在系統(tǒng)硬件方面，表現(xiàn)為由器件分離向器件共用的變化；在頻譜利用方面，表現(xiàn)為由相互干擾向和諧共存的變化；在系統(tǒng)功能方面，變現(xiàn)為由獨(dú)立并行向協(xié)同融合的變化。因此，雷達(dá)通信一體化的技術(shù)內(nèi)涵，不僅包括促成雷達(dá)與通信設(shè)備的硬件共用、互不干擾，還包括設(shè)計兼容二者的新型射頻綜合系統(tǒng)，高效利用各種資源，同時同頻完成信息傳輸和目標(biāo)探測兩種功能［10-11］。目前為止，可預(yù)見JRC 技術(shù)將在雷達(dá)/商用無線通信系統(tǒng)共存、5G 車聯(lián)網(wǎng)毫米波定位、6G 智能全息無線電、無人機(jī)感知和通信、Wi-Fi 室內(nèi)定位及動作識別、雷達(dá)輔助低截獲概率通信、多功能射頻系統(tǒng)等民用和軍用領(lǐng)域的諸多典型應(yīng)用場景中發(fā)揮重要作用［12-15］，由此，各國針對JRC 開展了廣泛研究。

雷達(dá)和通信一體化的萌芽很早就已出現(xiàn)。1963 年，美國馬丁公司設(shè)計了對測距雷達(dá)脈沖進(jìn)行位置調(diào)制實(shí)現(xiàn)地空單向通信的方法，以利用雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信功能［16］。1967年，美國專利局公布的一項(xiàng)專利提出了利用多普勒雷達(dá)進(jìn)行通信的信號產(chǎn)生和處理方法［17］。1978 年，美國休斯飛機(jī)公司為NASA 設(shè)計的航天飛行器Orbiter 中，Ku 波段的雷達(dá)和通信共用收發(fā)機(jī)、天線和伺服平臺［18］。1981 年，美國海軍研究院分析了在保證性能的前提下借用雷達(dá)部分硬件資源進(jìn)行通信的可行方法，并在切薩皮克灣搭建了雷達(dá)通信驗(yàn)證系統(tǒng)［19］。然而，受當(dāng)時技術(shù)條件限制，雷達(dá)和通信還是以系統(tǒng)分離、硬件獨(dú)立、各自演進(jìn)為主，JRC的研究處于萌芽階段。

20 世紀(jì)末21 世紀(jì)初，隨著寬帶有源相控陣天線的廣泛應(yīng)用，世界各國密集展開了基于復(fù)用技術(shù)、共用射頻前端的射頻綜合系統(tǒng)研究，推動JRC進(jìn)入基于復(fù)用技術(shù)的第一階段。其基本原理如圖1所示［20］，通信和雷達(dá)通過對時間、空間、頻譜、碼元等資源進(jìn)行劃分，共用射頻前端等硬件資源進(jìn)行無線發(fā)射和接收，從而降低多天線堆疊產(chǎn)生的體積重量和信號串?dāng)_問題。

圖1 基于復(fù)用技術(shù)的JRC示意圖Fig.1 JRC system based on multiplexing technology

與基于復(fù)用技術(shù)的JRC 幾乎同步展開研究的，還有另一種技術(shù)路線——基于波形共享、共用各種資源的新型一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過一個信號同時進(jìn)行探測與通信，如圖2所示［20］。在接收端，首先將一體化信號的雷達(dá)和通信功能分離開，然后分別進(jìn)行后續(xù)處理，由此，通信和雷達(dá)不僅可以共用射頻前端，還可以共用發(fā)射端的射頻本振、變頻、功放等硬件資源。基于復(fù)用技術(shù)的一體化系統(tǒng)的核心在于資源的劃分和調(diào)度，以避免功能間相互干擾；基于波形共享的一體化系統(tǒng)的核心則在于共享波形的設(shè)計和處理，以促成雷達(dá)通信的一體設(shè)計和功能協(xié)同［20-21］。但是，受數(shù)字處理能力的限制，在一段時間內(nèi)，針對波形共享的一體化研究主要集中在算法設(shè)計和仿真分析方面。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展和5G 通信對頻譜需求的提升，波形共享逐漸成為JRC 的主流方向，JRC 研究進(jìn)入了基于波形共享的第二階段。

圖2 基于波形共享的一體化系統(tǒng)Fig.2 JRC system based on sharing waveform

值得注意的是，近年來，隨著人們對雷達(dá)探測精度和通信傳輸速率要求的不斷提升，高性能JRC系統(tǒng)構(gòu)建、波形產(chǎn)生和處理面臨的電子瓶頸效應(yīng)逐漸凸顯出來。例如：現(xiàn)有電子器件水平與系統(tǒng)高頻化寬帶化發(fā)展需求之間存在矛盾，復(fù)雜電磁屏蔽措施與系統(tǒng)小型化集成化發(fā)展趨勢之間存在矛盾等。以微波光子為代表的新興技術(shù)為高頻寬帶射頻應(yīng)用提供了很好的技術(shù)手段［22］。利用微波光子技術(shù)，構(gòu)建資源復(fù)用或波形共享的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，成為最近幾年JRC研究的顯著特點(diǎn)之一。

3 雷達(dá)通信一體化中的復(fù)用技術(shù)

基于復(fù)用技術(shù)的JRC研究較為成熟。軍事應(yīng)用上，1996 年美國啟動了先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)和先進(jìn)共享孔徑等項(xiàng)目，研究面向艦載和機(jī)載應(yīng)用的寬帶多功能陣列，工作頻段覆蓋C、X 和Ku 波段，保證雷達(dá)、通信同時或者分時使用射頻資源［23］，其概念示意圖如圖3所示。2005年12月，美國在F-22機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)AN/APG-77 上加裝通用數(shù)據(jù)鏈調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)了274 Mbps高速率視距通信，遠(yuǎn)高于機(jī)載Link-16 數(shù)據(jù)鏈238.08 kbps 傳輸速率［24］。之后，美國在E-8C預(yù)警機(jī)上構(gòu)建基于雷達(dá)的數(shù)據(jù)鏈，等待雷達(dá)搜索跟蹤任務(wù)完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，距離140 km時通信速率達(dá)到1.5 Mbps，結(jié)合高階調(diào)制可以將通信速率提升至16 Mbps 以上［25］。2004 年，荷蘭國防部開始研究可擴(kuò)展多功能射頻系統(tǒng)，利用同一射頻前端、基于頻分復(fù)用技術(shù)，空中載荷可以同時進(jìn)行X 波段雷達(dá)探測和Ku波段數(shù)據(jù)通信，雷達(dá)和通信的帶寬分別達(dá)到2.5 GHz和500 MHz［26］。2005年，瑞典國防研究局和意大利國防部聯(lián)合開展多功能有源電掃陣列項(xiàng)目，研究能夠根據(jù)作戰(zhàn)場景動態(tài)執(zhí)行雷達(dá)、通信等功能的新技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)［27］。2009年，美國Acorn 科技公司提出面向空中載荷應(yīng)用的時分復(fù)用雷達(dá)通信結(jié)構(gòu)，將脈沖壓縮碼元和正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）符號調(diào)制到同一射頻載波上，交替進(jìn)行探測和通信［28］。2013 年，美國國防部高級研究計劃局啟動了共享頻譜接入項(xiàng)目，其研究內(nèi)容之一是綜合利用空間、時間、極化等資源的多樣性，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信的無干擾共存［29］。2021年，美國在希爾空軍基地部署專用網(wǎng)絡(luò)，研究該基地5G網(wǎng)絡(luò)與該頻段機(jī)載雷達(dá)間頻譜共享解決方案，以最大限度保證現(xiàn)有軍用射頻系統(tǒng)與商用5G 通信在頻譜上的協(xié)調(diào)運(yùn)用。此外，2014 年，法國高等電力學(xué)院報道了基于空分復(fù)用的雙功能天線陣列，天線主瓣用于雷達(dá)探測，旁瓣用于進(jìn)行通信［30］。2016年，美國維拉諾瓦大學(xué)也設(shè)計了基于空分復(fù)用的雷達(dá)通信系統(tǒng)，通信采用雷達(dá)主波束以外的旁瓣來實(shí)現(xiàn)，且通信波束靈活可調(diào)［31］。除了傳統(tǒng)的空/時/頻分復(fù)用方式外，還可以對線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation，LFM）信號的啁啾進(jìn)行復(fù)用。2003年，美國加州大學(xué)設(shè)計了啁啾復(fù)用LFM 雷達(dá)通信一體化波形，其中雷達(dá)采用負(fù)啁啾脈沖信號，通信采用正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）調(diào)制的正啁啾連續(xù)波信號［32］。2007 年，加州大學(xué)對上述方案進(jìn)行了演示驗(yàn)證，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，產(chǎn)生的雷達(dá)波形為載頻750 MHz、帶寬500 MHz、時寬500 ns、重復(fù)頻率150 kHz 的負(fù)啁啾LFM 信號，通信用正啁啾LFM 信號與雷達(dá)波形載頻帶寬相同，信息傳輸速率為1 Mbps［33］。接收端，雷達(dá)和通信信號在極化域進(jìn)行分離，之后，分別進(jìn)行脈沖壓縮獲得探測距離和通信數(shù)據(jù)。

民用方面，基于復(fù)用技術(shù)的智能車路系統(tǒng)在這一時期迎來了蓬勃發(fā)展。1997 年，日本某天線公司為車頭測距雷達(dá)增加了通信功能，利用不同時隙交替發(fā)射載頻59.5 GHz 的LFM 雷達(dá)信號和幅移鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）通信信號［34］。2002年，日本三菱電機(jī)電子與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計了基于頻分復(fù)用的汽車?yán)走_(dá)通信系統(tǒng)，其中雷達(dá)信號所使用載頻為60.5 GHz、帶寬100 MHz，通信收發(fā)頻率分別為59.74 和59.05 GHz［35］。2007年，奧地利GmbH &Co 公司和德國慕尼黑大學(xué)也提出一種基于頻分復(fù)用的車用雷達(dá)通信系統(tǒng)，在載頻24.125 GHz、帶寬285 MHz雷達(dá)信號的頻譜過零點(diǎn)處，插入QPSK信號，同時進(jìn)行雷達(dá)探測和數(shù)據(jù)通信［36］。2011至2016年，加拿大蒙特利爾大學(xué)設(shè)計了面向智能交通應(yīng)用的多功能收發(fā)機(jī)，交替發(fā)射載頻5.8 GHz 左右的梯形調(diào)頻雷達(dá)信號和二階相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）通信信號，如圖5 所示，雷達(dá)信號帶寬150 MHz，通信最大傳輸速率75 Mbps［37-38］。

圖5 多功能收發(fā)機(jī)信號功率譜密度Fig.5 Power spectral density of the signal in the proposed multi-function system

在這一階段，我國也積極開展了JRC 的研究。2001年起，海軍航空工程學(xué)院、空軍工程大學(xué)、電子科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、中科院、中電研究院、中國空間技術(shù)研究院等先后針對雷達(dá)通信的資源共用和一體化展開了研究，取得了一系列成果［39-43］。例如，2006 年，中科院提出了基于碼分復(fù)用的JRC 方案，通信擴(kuò)頻碼元和雷達(dá)碼元采用相互正交的兩個偽隨機(jī)序列，以消除二者之間的相互干擾［40］；2011年，北京理工大學(xué)、中電研究院、中電38 所等單位聯(lián)合研制了基于數(shù)字陣列的JRC 試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖6所示，工程驗(yàn)證了利用雷達(dá)進(jìn)行通信的可行性［43］。

圖6 數(shù)字陣列JRC試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 JRC system based on digital array

總結(jié)這一階段研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，為避免雷達(dá)和通信在共用射頻前端等硬件資源時相互干擾，可以在時間、空間、頻譜等單個或多個維度上對二者進(jìn)行功能劃分。此時，雷達(dá)信號和通信信號可以根據(jù)應(yīng)用場景靈活設(shè)計，但一體化系統(tǒng)的波形本質(zhì)上是兩個獨(dú)立信號的相互疊加，由此會產(chǎn)生一系列問題，具體見表1所述。

表1 JRC中的復(fù)用技術(shù)性能比較Tab.1 Characteristics of different multiplexing technologies for Radar-communication integration

4 雷達(dá)通信一體化中的共享波形

基于波形共享的JRC 具有更高的功率、頻譜、硬件等資源利用效率，其核心問題是共享波形的設(shè)計。直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技術(shù)是最為直觀的一種通信雷達(dá)共享波形設(shè)計方法。直接序列擴(kuò)頻通信和相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)均使用具有優(yōu)良壓縮特性的碼元，在序列擴(kuò)頻通信中加入雷達(dá)處理單元，就可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化。2000年，日本橫濱國立大學(xué)利用127位M 序列對速率1.2 Mbps 的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，然后進(jìn)行BPSK 調(diào)制產(chǎn)生一體化信號；接收端，利用匹配濾波處理獲得測距時延并實(shí)現(xiàn)信息解擴(kuò)［44］。2008年，瑞典布萊津理工大學(xué)針對M 序列編碼信號測距時多普勒敏感問題，提出利用多相Oppermann 序列擴(kuò)頻的共享波形［45］。2014 年，日本工業(yè)大學(xué)提出用兩組互補(bǔ)碼對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻，之后進(jìn)行相位調(diào)制獲得共享波形，以提升接收端壓縮處理的主瓣旁瓣比［46］。

除了DSSS 以外，采用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)的共享波形也受到了廣泛研究。OFDM 是一種多載波技術(shù)，多路并行的符號分別調(diào)制至相互正交的各子載波上形成OFDM 信號，依托該技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)未來寬帶射頻系統(tǒng)與現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的相互兼容。同時，該信號具有近似圖釘狀的模糊函數(shù)，針對運(yùn)動目標(biāo)具有良好的探測能力［47］。OFDM共享波形研究的重點(diǎn)在于基帶符號的設(shè)計、子載波調(diào)制方式的選擇以及接收端信號的處理算法。2006 年，澳大利亞Filtronic公司提出在MIMO（Multi-Input Multi-Output）雷達(dá)中，各發(fā)射陣元按特定頻率步進(jìn)規(guī)律輻射OFDM 信號的各子載波，通信數(shù)據(jù)經(jīng)13 位巴克碼擴(kuò)頻后采用BPSK 方式調(diào)制至子載波上，在雷達(dá)探測的同時將成像信號分發(fā)至用戶［48］。2007年，美國邁阿密大學(xué)提出利用OFDM 結(jié)合子載波開關(guān)鍵控調(diào)制的一體化波形，用于進(jìn)行雷達(dá)成像和數(shù)據(jù)傳輸，搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雷達(dá)信號帶寬為1 GHz，通信速率可達(dá)到57 Mbps［49］。以上兩種OFDM 一體化信號在接收端均采用相關(guān)處理，此時，通信數(shù)據(jù)會惡化輸出脈沖的主瓣旁瓣比，影響雷達(dá)探測性能。針對該問題，2009 年，德國卡爾斯魯厄大學(xué)設(shè)計了OFDM結(jié)合子載波4PSK 調(diào)制的共享波形，在接收端利用頻域采樣和離散傅里葉變換算法對雷達(dá)回波進(jìn)行參數(shù)估計，以消除通信調(diào)制對雷達(dá)探測性能的影響［50］。2010 年，該大學(xué)對所提出方法進(jìn)行了演示驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生OFDM共享信號載頻為6或24 GHz、帶寬為93.1 MHz、子載波數(shù)為1024、峰均比為10 dB左右，該處理方法可以提供與相關(guān)運(yùn)算近似的處理增益［51］。2018年，盧森堡大學(xué)設(shè)計了一種新的OFDM共享波形，其中一半子載波調(diào)制純雷達(dá)信號用于進(jìn)行信道估計，另一半子載波調(diào)制雷達(dá)通信共享信號，在接收端首先利用交替最小二乘有效迭代方法對目標(biāo)進(jìn)行到達(dá)角、多普勒參數(shù)提取和距離粗測，然后進(jìn)行通信數(shù)據(jù)解調(diào)和目標(biāo)距離精確估計［52］。2021 年，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)等提出在OFDM 一體化收發(fā)機(jī)和通信接收機(jī)之間加入低速前向反饋信道，以實(shí)時調(diào)整共享波形中各子載波功率，從而優(yōu)化通信雷達(dá)聯(lián)合性能［53］。同年，英國倫敦大學(xué)學(xué)院提出了面向MIMO 系統(tǒng)的OFDM 共享波形設(shè)計算法，利用半正定規(guī)劃方法降低共享波形的幅度峰均比［54］。2022年，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)等設(shè)計了具有6個發(fā)射天線和2 個接收天線的MIMO-OFDM 結(jié)構(gòu)JRC一體化測試樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)分析了不同波束模式下通信和雷達(dá)性能。樣機(jī)使用的OFDM 共享波形中心頻率為2.4 GHz、包含12 個子載波、數(shù)據(jù)調(diào)制方式為QPSK調(diào)制［55］。

第三種典型的一體化共享波形是基于LFM 的復(fù)合信號。通過對LFM 信號的幅度、頻率、相位等進(jìn)行操控，可以將通信信息加載到雷達(dá)波形上，形成共享信號。2007 年，荷蘭國防部仿真研究了幅度調(diào)制-線性調(diào)頻（Amplitude Modulation-LFM，AMLFM）共享波形一體化系統(tǒng)，同時執(zhí)行目標(biāo)探測和信息傳遞功能，其結(jié)構(gòu)如圖7所示［56］。在接收端，雷達(dá)和通信均采用去斜處理，獲得的低頻信號進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)提取，獲得的中頻信號進(jìn)行AM解調(diào)。2016年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出LFM 脈沖結(jié)合脈內(nèi)BPSK調(diào)制的雷達(dá)通信共享波形及其性能優(yōu)化方法［57］。在數(shù)字域利用通信信息對LFM 信號的相位進(jìn)行移相處理，數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到一體化波形。通過減小BPSK 調(diào)制的相移變化量可以減弱相位突變對雷達(dá)探測性能的影響，而相移減小引起的通信誤碼率惡化則利用M序列擴(kuò)頻進(jìn)行彌補(bǔ)。

圖7 AM-LFM共享波形一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Joint system using AM-LFM sharing waveform

最近，一些新型調(diào)制波形也逐漸引入到一體化系統(tǒng)中。例如，正交時頻空（Orthogonal time frequency space，OTFS）調(diào)制信號在延遲多普勒域調(diào)制數(shù)據(jù)符號，信號具有恒定包絡(luò)和很強(qiáng)的抗選擇性衰落能力。2020 年起，意大利帕爾馬大學(xué)、英國新南威爾士大學(xué)等先后設(shè)計了面向JRC 的OTFS 共享波形及其處理算法，結(jié)果表明該信號適合運(yùn)動場景下目標(biāo)探測和通信［58-59］。但是，作為相對較新的調(diào)制方式，該類共享波形在計算復(fù)雜度、硬件成本等方面還具有一定的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)方面，2012 年，空軍預(yù)警學(xué)院提出了具有抗回波遮掩特性的完全互補(bǔ)碼DSSS 共享波形［60］；2014 年，電子科技大學(xué)研究了DSSS 結(jié)合最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）的共享信號的模糊函數(shù)性能［61］；2018 年，空軍工程大學(xué)分析了DSSS結(jié)合脈沖幅度調(diào)制的共享波形分辨性能和雜波抑制能力［62］?；贠FDM 的共享波形研究方面，自2013 年起，空軍預(yù)警學(xué)院提出了多種抑制信號峰均比、降低雷達(dá)距離旁瓣、增強(qiáng)通信能力的方法［63-64］。2016 年起，西安電子科技大學(xué)針對OFDM 共享波形的處理問題，提出了多種目標(biāo)距離-速度聯(lián)合估計方法［65］。此外，陸軍特種作戰(zhàn)學(xué)院、華中科技大學(xué)等針對OFDM 共享波形應(yīng)用中的子載波干擾和同頻干擾問題進(jìn)行了研究［66-67］，南京信息工程大學(xué)、中國科學(xué)院等針對OFDM 共享信號的處理算法進(jìn)行了研究［68-69］。上海交通大學(xué)對OFDM 共享波形進(jìn)行了硬件平臺設(shè)計與優(yōu)化，所產(chǎn)生信號載頻4875 MHz，帶寬23 MHz，峰均比8.3 dB［70］。南京科技大學(xué)聯(lián)合南方科技大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等提出基于稀疏矢量編碼的OFDM 共享波形，以降低雷達(dá)旁瓣并提升通信可靠性［71］。基于LFM 的共享波形研究方面，2011 年起，中電研究院針對MSK-LFM 共享波形開展了研究［72］，空軍預(yù)警學(xué)院分析了基于初始頻率控制的LFM 共享信號波形性能［73］，西安電子科技大學(xué)先后設(shè)計了基于啁啾率調(diào)制和基于頻移鍵控的LFM 共享波形［74-75］，清華大學(xué)提出了連續(xù)相位調(diào)制的LFM 共享波形［76］，電子科技大學(xué)則設(shè)計了頻率-相位復(fù)合調(diào)制的LFM 共享波形［77］。為提升通信速率，傳統(tǒng)二階調(diào)制逐漸被高階調(diào)制所替代。2020年，重慶大學(xué)提出了16QAM-LFM 共享波形及其處理方法［78］，華中科技大學(xué)設(shè)計了MPSK-LFM 共享信號［79］。此外，空軍預(yù)警學(xué)院、電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等還將OFDM 與LFM 結(jié)合起來提出了多種OFDM-LFM共享波形［80-81］。

總結(jié)這一階段研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，波形共享使得通信和雷達(dá)在發(fā)射端可以更高效地整合共用射頻本振、變頻、功放、天線等硬件資源。在共享波形設(shè)計上，DSSS 一體化共享波形設(shè)計靈活、實(shí)現(xiàn)簡單。但接收端需要通過相關(guān)運(yùn)算進(jìn)行脈沖壓縮和解擴(kuò)，寬帶信號處理數(shù)據(jù)量大、時效性差；序列重復(fù)時間決定雷達(dá)最大不模糊距離和通信速率，導(dǎo)致兩種功能相互制約?；贠FDM的共享波形是現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外主要針對信號幅度峰均比高、多普勒頻偏干擾、脈壓旁瓣偽峰、速度距離耦合、系統(tǒng)性能邊界等問題進(jìn)行波形設(shè)計和算法研究，提出了針對以上單個或多個問題的不同解決方案。但整體上OFDM一體信號設(shè)計復(fù)雜、調(diào)諧困難、運(yùn)算量大，在現(xiàn)有技術(shù)條件下難以滿足GHz 量級帶寬的實(shí)時處理要求?；贚FM 的共享波形具有成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，接收端采用去斜方法可以極大簡化處理復(fù)雜度、提升寬帶信號的處理實(shí)時性，通過脈內(nèi)調(diào)制可以克服雷達(dá)最大不模糊距離和通信速率的矛盾問題。然而，寬帶LFM 信號的產(chǎn)生需要多級倍頻處理，信噪比惡化且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；共享波形中的線性時頻對應(yīng)關(guān)系如果被破壞（如頻率調(diào)制情況），信號的處理則需要進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，同樣具有較高的處理時延?；贠TFS的共享波形作為新型調(diào)制信號，能很好適應(yīng)高速運(yùn)動場景需求，但信號產(chǎn)生和處理計算復(fù)雜度和硬件成本很高。不同共享波形特點(diǎn)對比如表2所示。需要指出的是，以上進(jìn)展是從波形的具體形式出發(fā)，除此之外，還可以從最優(yōu)化理論出發(fā)，將JRC共享波形的設(shè)計轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，結(jié)合雷達(dá)和通信的需求和約束，直接設(shè)計共享波形以提高一體化系統(tǒng)的性能。這種方法設(shè)計的共享波形不受常規(guī)波形限制，但其生成涉及復(fù)雜優(yōu)化問題的求解并依賴于通信信道狀態(tài)信息，實(shí)際應(yīng)用還有很大挑戰(zhàn)［82］。

表2 JRC中共享波形特點(diǎn)比較Tab.2 Characteristics of different sharing waveforms for JRC

5 雷達(dá)通信一體化中的微波光子技術(shù)

目前，產(chǎn)生信號的電子器件如頻率合成器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等采樣時鐘速率受限，難以直接輸出高頻寬帶射頻波形。此外，寬帶信號在電纜波導(dǎo)等介質(zhì)中傳輸損耗大、幅相一致性差。最后，電學(xué)器件存在相互干擾，需要采取電磁屏蔽措施，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)體積重量功耗。以上問題限制了雷達(dá)和通信的性能提升。

新興的微波光子技術(shù)是解決上述瓶頸問題的有效技術(shù)手段之一。微波光子的處理手段是光子技術(shù)，主要利用其頻率高、帶寬大、處理靈活的優(yōu)點(diǎn)以及光傳輸介質(zhì)在體積、重量、功耗、集成度和抗電磁干擾等方面的優(yōu)勢；處理對象是模擬射頻信號，這是與傳統(tǒng)數(shù)字光纖通信最本質(zhì)的區(qū)別；實(shí)現(xiàn)功能包括在光域產(chǎn)生射頻信號并進(jìn)行傳輸，在光域?qū)崿F(xiàn)射頻信號的頻率轉(zhuǎn)換、參數(shù)測量、多路分配、延時移相，在光域完成射頻信號的濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。如下表3所示，與電子技術(shù)相比，微波光子技術(shù)可以直接產(chǎn)生、低損傳輸、靈活處理具有高頻寬帶、大調(diào)諧范圍和抗電磁干擾能力的射頻波形，有望為雷達(dá)和通信系統(tǒng)發(fā)展帶來技術(shù)性和體制性變革［83-84］。最近幾年，國內(nèi)外逐步展開了面向JRC 的微波光子技術(shù)應(yīng)用研究。

表3 電子技術(shù)和光子技術(shù)的主要特性對比［85］Tab.3 Characteristics of electronics and photonics technologies［85］

2016 年，意大利進(jìn)行了光子輔助雷達(dá)通信雙功能演示，利用鎖模激光器豐富的頻譜資源，結(jié)合電域?yàn)V波，對載頻2.475 GHz、帶寬20 MHz 的LFM 雷達(dá)信號和載頻4.9 GHz、速率54 Mbps 的64QAM-OFDM 通信信號進(jìn)行光域變頻處理，如圖8 所示［86］。該演示初步探索了光子技術(shù)在JRC 中的應(yīng)用，二者共用激光源、接收天線和接收處理光電鏈路，但是，通信和雷達(dá)分割頻譜資源，系統(tǒng)頻譜利用率低。2018 年，浙江大學(xué)利用光脈沖干涉結(jié)合頻時映射產(chǎn)生瞬時頻率324～345 GHz 的LFM 雷達(dá)脈沖，利用雙光源外差上變頻產(chǎn)生載頻370 GHz 的16QAM 通信信號［87］。雷達(dá)和通信信號在同一光纖進(jìn)行傳輸，使用同一探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，信號頻率通過光子技術(shù)提升至THz 量級。但雷達(dá)和通信信號獨(dú)立產(chǎn)生，系統(tǒng)基于頻分復(fù)用、頻譜利用率低。2021 年，復(fù)旦大學(xué)利用雙光源外差上變頻處理，將時分復(fù)用的雷達(dá)LFM 信號和通信QAM-OFDM 信號上變頻至W 波段，雷達(dá)帶寬達(dá)到15 GHz，通信速率為46.55 Gbps［88］。然而，雙光源相干性差、輸出噪聲大，且單功能存在“時間盲區(qū)”。

圖8 光子雷達(dá)通信雙功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Photonics-based radar/communication dual-function system

共享波形方面，2019 年，南京航空航天大學(xué)設(shè)計了ASK-LFM一體化信號的光子產(chǎn)生和處理方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9 所示［89］。在發(fā)射端，對LFM 信號進(jìn)行光域倍頻和ASK 調(diào)制，光電探測后得到載頻帶寬為輸入LFM 信號四倍的ASK-LFM 共享波形。通信接收端，對接收信號進(jìn)行包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)；雷達(dá)接收端，對LFM 信號進(jìn)行光域去斜處理，提取出目標(biāo)距離信息。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了帶寬18～26 GHz 的ASK-LFM 連續(xù)波形，通信速率為100 Mbps，雷達(dá)接收端采樣示波器采樣率為100 MSa/s。該方案驗(yàn)證了基于微波光子技術(shù)利用共享波形同步進(jìn)行雷達(dá)和通信的可行性，設(shè)計了光電鏈路和射頻前端等硬件資源共用的光子一體化發(fā)射機(jī)，然而，ASK 調(diào)制引起波形包絡(luò)起伏，影響雷達(dá)作用距離。同年，南京大學(xué)對16QAM-OFDM 共享信號進(jìn)行光域上變頻處理，所產(chǎn)生信號載頻28 GHz、帶寬500 MHz、通信速率1.56 Gbps，但信號峰均比高、調(diào)諧和處理復(fù)雜［90］。2021 年，清華大學(xué)利用光電振蕩器將DSSS共享波形上變頻至24 GHz，同時結(jié)合光域I/Q 調(diào)制將信號擴(kuò)展為兩路相同載頻、不同擴(kuò)頻序列的共享波形，以提升雷達(dá)的最大不模糊距離和通信速率［91］。然而，信號處理需要進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和數(shù)據(jù)融合，復(fù)雜度高、時效性差。此外，西南交通大學(xué)也利用光域變頻方法將DSSS共享波形頻率提升至35 GHz，并結(jié)合擾頻處理提升接收端脈沖壓縮主瓣旁瓣比，同樣，信號處理復(fù)雜［92］。2020 年起，空軍工程大學(xué)先后提出了多種不同結(jié)構(gòu)的PSK-LFM 共享波形光子產(chǎn)生和處理方案，分析了其在雷達(dá)和通信中的應(yīng)用性能［93-96］。所提方案利用微波光子倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻寬帶共享波形的光域產(chǎn)生，利用光偏振復(fù)用技術(shù)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的光域相干解調(diào)處理。PSK-LFM波形的優(yōu)點(diǎn)在于包絡(luò)平坦，不會減小雷達(dá)探測距離，相反，可以通過設(shè)置調(diào)相數(shù)據(jù)，增大其探測范圍。但是，共享信號中LFM 波形的重復(fù)時間對應(yīng)一位通信二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通信速率較低。

圖9 ASK-LFM共享波形光學(xué)產(chǎn)生和處理方案示意圖Fig.9 Photonics generation and processing of ASK-LFM sharing waveform

基于微波光子的JRC 的技術(shù)愿景是依托全光或以光子技術(shù)為主產(chǎn)生高頻寬帶、靈活調(diào)諧、抗電磁干擾的共享射頻波形，并對接收到的射頻信號進(jìn)行光域?qū)崟r靈活處理，同時，對射頻前端以外的收發(fā)部分進(jìn)行光子集成，極大減小系統(tǒng)體積、重量和功耗因素?？偨Y(jié)以上研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，基于微波光子技術(shù)的JRC 研究處于萌芽狀態(tài)，主要完成的功能是對一體化系統(tǒng)的信號進(jìn)行光域上變頻處理，信號的產(chǎn)生、處理依然以電子技術(shù)為主，尚未充分發(fā)揮微波光子技術(shù)寬帶承載、高度集成和靈活處理等優(yōu)勢。需要指出的是，面向JRC 應(yīng)用的微波光子技術(shù)未充分發(fā)揮其優(yōu)勢的原因之一在于，微波光子本身亟待技術(shù)突破。例如，微波光子器件的穩(wěn)定性、微波光子集成芯片等研究正迅猛發(fā)展，尤其是光子集成芯片一旦實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用，會極大提升JRC等射頻綜合系統(tǒng)的技術(shù)性能。

6 總結(jié)與展望

數(shù)十年來，人們致力于雷達(dá)和通信的一體化研究，以優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提升系統(tǒng)性能。隨著5G 技術(shù)的迅猛發(fā)展和軍事斗爭的不斷演化，設(shè)計一種硬件共用、頻譜共享、功能協(xié)同的JRC 系統(tǒng)具有極為重要的民用和軍用價值。

論文闡述了JRC 的技術(shù)內(nèi)涵和發(fā)展階段，總結(jié)了面向JRC 應(yīng)用的資源復(fù)用、波形共享、微波光子等關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展。JRC 體現(xiàn)在系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新，以構(gòu)建小型、高效、多功能、無相互干擾的射頻綜合系統(tǒng)。直觀的方法是利用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信和雷達(dá)的一體化設(shè)計，但時分復(fù)用時一體化系統(tǒng)單功能存在“時間盲區(qū)”，頻分復(fù)用時一體化系統(tǒng)頻譜利用率低，空分、碼分和啁啾極性等復(fù)用方式時各功能分割發(fā)射功率、作用距離受限。波形共享技術(shù)可以有效規(guī)避以上問題。與復(fù)用技術(shù)相比，基于波形共享的JRC 可以更高效利用各種資源、更有效促進(jìn)功能協(xié)同，是一體化發(fā)展的主要方向。相比于DSSS 和OTFS 共享波形，現(xiàn)階段OFDM 和LFM 共享波形具有更好的發(fā)展和應(yīng)用前景。OFDM共享波形的最大優(yōu)點(diǎn)在于，可以將下一代寬帶射頻系統(tǒng)與現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)兼容起來，LFM 共享波形的最大優(yōu)點(diǎn)則在于去斜處理可以極大降低寬帶信號處理復(fù)雜度。微波光子技術(shù)是射頻系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)，基于光子技術(shù)高頻寬帶、低損傳輸、靈活處理特點(diǎn)以及光學(xué)器件體積、重量、功耗和集成方面的優(yōu)勢，微波光子技術(shù)有望進(jìn)一步推動一體化系統(tǒng)的高頻化、寬帶化和小型化發(fā)展，全面提升系統(tǒng)性能。